高分子材料的力学状态

2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态,取决于聚合物的摩尔 平均质量,
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态
Cross-linked 交联
答案：不出现粘流态,
Network 3D 网状
2.1 高分子材料的力学状态
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线 玻璃态
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
比重
8.0 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.73 1.1
拉伸强度 MPa
1280 420 240 30 83 98～218 500 63
比强度
160 160 32 31.6 74.1 143 280 57.3
2.3 高分子材料的物化性能特点
高绝缘性； 聚合物高电阻率 可能积累大量静电荷
三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线,并对其进行描述 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物 在Tg以上 处于高弹态时所表现出的独特的
力学性质,又称橡胶弹性,
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能特点
强度低,比强度高;
高弹性,弹性模量低;
橡胶 — 典型的高弹性材料：弹性变形率为100%～1000%
高耐磨性；
弹性模量仅为～1MPa
塑料的摩擦系数小,有些塑料具有自润滑性能,
具有粘弹性
2.2 高分子材料的力学性能
表2.1 几种材料的机械强度
材料名称
高级合金钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 环氧玻璃钢 玻璃增强聚乙烯
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象,
发生玻璃化转变时,许多物理性能发生急剧变化,可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态 弹性体 T<Tg 时高聚物处于玻璃态 塑料、纤维
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
高弹态
Tg ～Tf
1 分子运动机制：链段解冻,可以运动
2 力学特征：
形变量大,100-1000﹪ 模量小,105-107Pa 形变可逆,一个松弛过程
3 常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料,
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
形变量很大；
形变量一般～500%,可达1000%,普通金属材料的形变量 ＜1％
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高,弹性模量增大 ； 温度,链段运动加剧,回缩力,维持相同形变所需的作
用力 抵抗变形的能力升高, 高弹形变有时间依赖性,具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
自学
力学损耗 内耗
图2.6 蠕变、应力松弛示意图.
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变过程包括 三种形变
1
普弹形变ε1
运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小,与时间无关,形变
可完全回复
2+3
2 高弹形变ε2
1
3
运动单元：链段 形变特点：形变量大,与时间有关,可逐
t
渐回复
图2-6 线形非晶态聚合物
弹性体：拉伸——放热 回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性
高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功
主要转为高分子链构象熵的减小
体系为热力学不稳定状态
去除外力体系回复到初始状态
热力学第一定 律
热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
外力作用时,同时发生高弹变形和粘性流动,
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性,
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线 形变-温度曲线 实验示意 等速升温
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温 Tg ；
低耐热性；通用高分子材料的耐热温度 < 200℃ 低导热性：金属的1/500-1/600 高热膨胀性：比金属大3-10倍 高化学稳定性；
2.3 高分子材料的性能特点
较易老化,
高分子材料在贮存、使用过程中,由于自身结构, 或受光,热,氧,机械力、生物侵蚀等影响,性能 逐渐变坏,直至丧失使用价值的现象,
形变不可逆
模量极小
3 Tf与摩尔平均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
晶区起交联点作用,温度,非晶区进入高弹态, 整个材料具有韧性和强度,
结晶度>40% 晶区互相衔接,贯穿成连续相,观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象,
10-9 ～ 10-10 秒
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力,不可能瞬
时完成,
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
10-1 ～ 10+4 秒
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
1 分子运动机制：整链分子产生相对位移
2 力学特征：形变量很大 流动
防止老化措施： ☺ 改变自身结构； ☺ 加入防老化剂； ☺ 表面处理：镀金属或涂抗老化涂料,
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度 Tg 3、粘流温度 Tf 4、应变 5、蠕变
二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性 2、简要阐述聚合物的粘弹性, 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么 4、说明非晶态聚合物力学三态的运动单元,
2、高分子材料的 性能特点
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
根据物质对外场 外部作用 特别是外力场 的响应特性划分,
按物质力学性能随温度变化的特性划分,
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性,原因：
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
Strain hardening
塑性形变
应变硬化
E D A
D A
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸 杨氏 模量
剪切 刚性 模量 硬度 体积 本体 模量
机械强度 - 拉伸 抗 强度 弯曲强度 冲击强度
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变 形变 ：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化,
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度 Tf
2.1 高分子材料的力学状态TgTf NhomakorabeaTd
玻璃态
T<T
g
1 分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动,
2 力学特征：形变量小 0.01 ～ 1% ,模量高 109 ～ 1010 Pa , 形变与时间无关,呈普弹性,
3 常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料,
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力,
2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
F
A0
l0
A A0
l F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
2.2 高分子材料的力学性能
Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.
2.2 高分子材料的力学性能
F
力学松弛
蠕变 ：温度、应力一定,随时
静态粘弹性
间的延长形变增加,
行为
聚合物粘弹性
应力松弛 ：温度、形变一定,应力 随时间延长而减小,
滞后
动态粘弹性
的蠕变及回复曲线
粘性流动ε3
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力, 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温； b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移,
2.2 高分子材料的力学性能